柴油机燃用混合燃料理化特性分析_陈海龙.pdf

内燃机与配件 w w w.n r j p j.c n设计研究柴油机燃用混合燃料理化特性分析陈海龙1,骆立涵2,张 宇1(1.武警海警学院 机电管理系,浙江 宁波 3 1 5 8 0 1;2.武警海警广东支队 江门大队,广东 江门 5 2 9 0 0 0)摘 要:为研究生物柴油、乙醇作为柴油替代燃料的可行性,本文开展了柴油-生物柴油-乙醇的互溶性试验及理化特性检测。试验结果表明:为保证在8时不出现分层,则柴油中单独掺混乙醇的比例不应超过1 0%;为使得乙醇和柴油能够以任意比例互溶,生物柴油的加入量随着温度的升高而逐渐降低;随着乙醇的加入量增加,混合燃料的黏度减小;混合燃料与聚苯乙烯材料产生一定的反应,破坏容积壁面结构,降低乙醇与柴油的互溶性。为保证混合燃料的互溶性、润滑性及着火性,乙醇的添加比例不应超过3 0%,而生物柴油的添加比例不宜大于乙醇。关键词:乙醇;生物柴油;柴油;互溶性 中图分类号:T F 0 5 4 文献标识码:A 文章编号:1 6 7 4-9 5 7 X(2 0 2 3)0 5-0 0 0 1-0 4A n a l y s i so fP h y s i c a l a n dC h e m i c a lP r o p e r t i e so fM i x e dF u e l f o rD i e s e lE n g i n eC h e nH a i-l o n g1,L u oL i-h a n2,Z h a n gY u1(1.C h i n aC o a s tG u a r dA c a d e m yM e c h a n i c a lE l e c t r i c a lM a n a g e m e n tD e p a r t m e n t,Z h e j i a n gN i n g b o3 1 5 8 0 1;2.G u a n g d o n gD e t a c h m e n to f t h eM a r i n eP o l i c eC o r p so f t h eA r m e dP o l i c eF o r eJ i a n g m e nB r i g a d e,G u a n g d o n gJ i a n g m e n5 2 9 0 0 0)A b s t r a c t:T os t u d y t h e f e a s i b i l i t yo f b i o d i e s e l a n de t h a n o l a s a l t e r n a t i v e f u e l s f o rd i e s e l e n g i n e s.I n t h i sp a p e rt h em u t u a l s o l u b i l i t yt e s ta n dp h y s i c a la n dc h e m i c a lp r o p e r t i e st e s t i n go fd i e s e l/b i o d i e s e l/e t h a n o lw e r ec a r r i e do u t.T h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o wt h a t:i no r d e rt oe n s u r et h a t t h ef u e ld o e sn o th a v es t r a t i f i c a t i o na t8,t h ep r o p o r t i o no f e t h a n o l a l o n e i nd i e s e l s h o u l dn o te x c e e d1 0%;i no r d e r t om a k ee t h a n o l a n dd i e s e l s o l u b l e i na n yr a t i o,t h ea m o u n to fb i o d i e s e la d d e dg r a d u a l l yd e c r e a s e sw i t ht h e i n c r e a s eo f t e m p e r a t u r e;w i t ht h ea d d i t i o no fe t h a n o l,t h ev i s c o s i t yo f t h em i x e d f u e l d e c r e a s e s.T h em i x e d f u e lw i l l r e a c tw i t hp o l y s t y r e n em a t e r i a l t oa c e r t a i ne x t e n ta n dd e s t r o y t h e c o n t a i n e rw a l l,a n d r e d u c e t h em u t u a l s o l u b i l i t yo f e t h a n o l a n dd i e s e l.T h e r e f o r e,i no r d e rt oe n s u r e t h a t t h em i x e df u e lh a sg o o dl u b r i c i t ya n dr e l i a b i l i t yt h e i g n i t i o ne n e r g y,t h eb l e n d i n gr a t i oo f e t h a n o ls h o u l dn o t e x c e e d3 0%,a n dt h ea d d i t i o no fb i o d i e s e l s h o u l dn o tb eh i g h e r t h a nt h a to f e t h a n o l.K e yw o r d s:E t h a n o l;B i o d i e s e l;D i e s e l f u e l;M u t u a l s o l u b i l i t y项目支持:“十三五”军队重点院校和重点学科专业 装备工程(动力)-1 7作者简介:陈海龙(1 9 8 3),男,博士,副教授,研究方向:动力机械及工程 当前,全球能源供需格局正在深度调整,能源结构低碳化转型加速推进,减少石油类燃油消耗大力发展可再生能源已成为全球能源转型及助力“碳达峰”、“碳中和”的关键举措。生物柴油主要成份为脂肪酸甲酯,由植物油、动物脂肪或各种废弃油脂经理化反应制得。乙醇一般以生物质为原料,经发醇、蒸馏等工序而制得,而燃料乙醇则是由乙醇进一步脱水变性而得到,也称为无水乙醇。生物柴油、乙醇作为替代石油的可再生生物质燃料得到了越来越多的关注,且国内外大量理论和试验研究表明两者具有作为柴油机替代燃料的巨大潜力和实际可行性。1 生物柴油及乙醇在发动机上应用情况乙醇具有较高的辛烷值,可增强燃油的抗爆性,提高压缩比,获取更好的燃料动力性、经济和排放性1。乙醇的燃烧火焰传播速度快、燃烧效率高、燃烧品质好,不完全燃烧产物C D、H C较少2。与柴油相比,乙醇汽化潜热大,在气缸内汽化可以降低气缸内最高燃烧温度使N O x排放减少;同时使气缸内压力降低,进气量、充量系数增大,提高柴油机动力性能3。但由于乙醇的十六烷值低,不易压燃着火,因此在柴油机上不能够作为燃料单独使用。目前,学者多侧重于对乙醇/柴油混合燃料(E D)的研究。研究表明,柴油机燃用E D 3 0(体积分数:含3 0%乙醇,下同)时,在各工况下仍能够可靠运行4;燃用E D 2 0时,C O最高可减排6 2%左右,N O x可大幅减少5,最高可减排2 4%左右6,PM排放量降低2 0%4 0%7。但E D混合燃料的稳定性能较差,使用时需添加专用助溶剂。普遍研究认为:酯类、醚类、胺类和醇类等既含有羟基基团、又含有烃基基团的分子具有较好的助溶性能8。脂肪酸甲酯(生物柴油)既是一种优质的柴油代用燃料9,同时它与乙醇、柴油均能够良好互溶1 0-1 1,是性能优良的E D助溶剂1 2-1 3,可增强混合燃料的稳定性能;同时,低粘度、高汽化潜热的乙醇可改善B D的雾化性能,降低燃烧温度,减少N O x排放量。因此,在柴油中同时掺入生物柴油、乙醇,可 弥 补 掺 混 单 一 燃 料 而 引 起 的 不 足,所 以 对E B D的研究得到了越来越多的关注。常温下,生物柴油可与柴油以任意配比互溶,作为代1DOI:10.19475/ki.issn1674-957x.2023.05.0162 0 2 3年第5期用燃料使用时,可单独使用,也可与柴油掺混使用。生物柴油理 化 性 质 接 近 柴 油,可 直 接 应 用 于 现 有 的 柴 油机1 4 1 5 1 6。生物柴油具有含氧量高、含硫量低等特点,使燃料燃烧更为充分,S O及HC排量明显降低,但柴油掺入生物柴油后,燃油雾化品质变差1 7,N O x排放量明显增多1 8 1 9。目前,上海市已经开始试点推广生物柴油/柴油混合燃油(B D),但由于存在上述问题,混合燃油中生物柴油占比较少,仅为5%体积分数。2 柴油-生物柴油-乙醇的互溶性乙醇在柴油中的溶解度是决定乙醇添加到柴油中比例的一个重要参数,而各种燃料之间是否互溶以及互溶能力的大小,都是由这些物质之间的分子间力的大小所决定的2 0。助溶剂提高乙醇在柴油中溶解度的机理有两种:一是助溶剂通过偶极子或氢键与乙醇分子结合,再通过范德华力的作用与柴油中的烃分子结合,在两种力的共同作用下,使乙醇分子分散于柴油中,实现互溶;二是两亲性分子在柴油中形成对乙醇具有增溶能力的胶团实现互溶2 1。2.1 柴油-生物柴油-乙醇互溶性分析分子空间构型不同导致正负电荷中心可能重合也可能不重合,表现为分子的极性各不相同。柴油中主要是烷烃分子,即C 1 5C 1 8,属于石油产品中的轻质类型,其内部的电荷呈对称分布,具有较高的重合性,这也就导致了非极性柴油的特点。柴油主要的成分极性很弱,为非极性分子2 2;乙醇分子整体不对称,C-O和O-H偶极矩较大,整体偶极矩为1.6 8 D2 3,有较大的极性。根据“相似相溶理论”,极性分子和非极性分子是不相溶的,所以乙醇在柴油中的溶解度很低,只能小比例添加,必须通过加温或者加入助溶剂的方式增加乙醇在柴油中的溶解度。生物柴油的主要成分为甲酯类物质(理化性质与柴油相差不大),分子结构中含有烃基,与柴油的主要成分烃分子类似,也含有含氧元素的羰基,符合R-C O-OH类羧酸,生物柴油中“R”为烷基,极性较弱介于强极性的乙醇和非极性的柴油之间,能够缓和乙醇与柴油之间的极性差,降低乙醇和柴油之间的表面张力,改善柴油与乙醇两相溶解度,形成稳定均匀的混合燃料,是乙醇和柴油之间很好的一种助溶剂2 4。2.2 柴油-生物柴油-乙醇互溶性试验2.2.1 柴油与乙醇的互溶性试验本研究配制混合燃料时,选用的生物柴油为山东辰宇化工有限公司生产的生物柴油;乙醇为南通恒轩化工有限公司生产的分析纯(9 9.9 5%);柴油为舰艇用-1 0#柴油。表1列出了柴油、乙醇和生物柴油的主要理化性质。表1 乙醇、生物柴油和柴油基本理化性质参数乙醇生物柴油-1 0#柴油密度k g/d m3(2 0)0.7 8 90.8 7 10.8 1 7H/C322.2 8 6十六烷值85 0.25 1低热值M J/k g2 73 8.4 14 2.5-4 6氧含量%3 4.71 2.10 在室温2 0度时,对柴油与乙醇进行两两掺混后静置观察。通过5天 静 置,观 察 发 现 在 乙 醇 质 量 分 数 达 到1 8%以上后,混合燃料出现明显分层;当乙醇质量分数上升到3 5%左右时,混合燃料分层厚度接近1:1,达到最大;而后随着乙醇质量分数继续上升,分层面开始向容器